JPH04219707A - 光ファイバカプラおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ通信で用い
られる光ファイバカプラを効率よく、安価に製造するこ
とが可能な光ファイバカプラおよびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信においては、光源から出
射した光や、光ファイバ中を伝搬する光を分岐、合流、
分波または合波する技術が非常に重要である。ここで、
分岐、合流という表現は、光の波長とは無関係に複数の
光を分けたり、重ね合わせ特定の方向に流すことを言う
。また分波、合波という表現は、異なる波長の複数の光
を扱う時に用い、分波は複数の波長の光が存在する光ビ
ームの中から特定の波長の光を取り出す際に、一方、合
波は複数の波長の光を一つの光ビームにまとめるときに
用いる。分岐、合流、分波、合波の技術は、光ファイバ
通信に限るものではないが、光ファイバ通信では、光フ
ァイバ中を伝搬する光を可能な限り外に出さないで処理
することが望まれている。すなわち、光ファイバ内を伝
搬している光を一旦外に出すと、再び光ファイバ中に入
射するためにレンズなどの光学系を使用する必要があり
、このときに結合損を生じる。また様々な光学系の表面
では、通常、光の反射が生じるので、不必要な光が逆方
向に戻って行き、これにより通信で使用している光源、
例えばレーザダイオードの動作状態を不安定にしたりす
る。

【０００３】これらの観点から、光ファイバ中の光をな
るべくファイバ外に出さないようにして、光の分岐、合
流、分波、合波を行わせる素子として、光ファイバカプ
ラがある。光ファイバカプラにも種々のタイプがあり、
最も量産されているのは融着延伸型の光ファイバカプラ
である。この融着延伸の光ファイバカプラは、図１３に
示すように、２本の光ファイバ１，１を互いに添わせた
後、適当な熱源、例えば水素などの燃焼ガスバーナ２で
加熱して融着させ、更に長手方向に引っ張って延伸する
。この結果、延伸部分３のファイバのコアは細められ、
延伸前にコア中を伝搬していた光は、大きくクラッド側
にしみ出すようになる。この結果、２つのコアの伝搬モ
ード間に電磁的な結合が生じてカプラとしての作用をす
るようになる。使用するファイバの種類によって、様々
なカプラ、例えば単一モードファイバカプラ、多モード
ファイバカプラ、偏波保持ファイバカプラなどがあるが
、現在の光ファイバ通信では単一モードファイバが主流
となっているために、光ファイバカプラにおいても単一
モードファイバカプラが主流となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな融着延伸型の光ファイバカプラにあっては次のよう
な問題があった。

【０００５】すなわち、１組の光ファイバカプラの作製
は、カプラの端末から光を入射して出射端での光の様子
をモニターしながら再現性良く製造することができるが
、複数のファイバ対を並べておいて同時に作製しようと
すると、モニターしたデータのフィードバックは、１組
のカプラに対してのみしか出来ないので、他のカプラは
言わば盲で作製することになる。仮に図１４に示すよう
に、複数組のファイバ対３を大形のバーナ４で加熱しつ
つ、同時に融着延伸するにしても、作製されたカプラの
結合度のばらつきが非常に大きい。その理由は、それぞ
れのカプラの融着延伸部が分離しているので、加熱条件
を全て揃えることが困難となるからである。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、特性の揃った複数のカプラを同時に再現性良く製造
することが可能な光ファイバカプラおよびその製造方法
の提供を目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバカプ
ラは、コアとクラッドを有する複数組の導波路を、該ク
ラッドの屈折率よりも低い屈折率のガラス中に配設した
マルチコアファイバの一部に延伸部を形成してなり、上
記各組の導波路間で光結合を行う構成としたことによっ
て、上記課題を解消した。

【０００８】また上記光ファイバカプラの製造方法とし
ては、コアとクラッドを有する複数組の導波路を、該ク
ラッドの屈折率よりも低い屈折率を有するガラス母材に
配置し、次いで該ガラス母材を加熱して導波路とガラス
母材を一体化し、さらに線引してマルチコアファイバを
形成し、次いで該マルチコアファイバの一部を加熱延伸
する製造方法が望ましい。

【０００９】上記導波路の構造としては、全て同一であ
っても良く、また２本１組の導波路の構造が互いに異な
っていても良い。

【００１０】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明
する。

【００１１】図１は、本発明に係わる光ファイバカプラ
の一例を示すものであって、この光ファイバカプラ１０
は、コア１１とクラッド１２を有する複数の導波路１３
を、クラッドの屈折率よりも低い屈折率のガラスからな
る支持ガラス体１４中に配設したマルチコアファイバ１
５の一部に延伸部１６を形成して構成されている。

【００１２】上記導波路１３は、光ファイバと同様に、
例えば酸化ゲルマニウムを添加した石英からなる高屈折
率のコア１１と、その周囲の石英からなるクラッド１２
を備えたものである。複数の導波路１３は、接触状態に
配された２本を１組とし、４組をガラス母材１４中にそ
れぞれ間隔をあけて配置されている。

【００１３】上記支持ガラス体１４は、フッ素或いはボ
ロン添加石英を材料とし、その屈折率を上記クラッド１
２を構成する石英よりも低く設定されている。

【００１４】図２は、図１に示す符号Ａ，Ｂ間の屈折率
分布を示すものであって、この図に示すように低屈折率
の支持ガラス体１４中に、石英からなるクラッド１２と
それよりも高屈折率のコア１１とからなる導波路１３が
配置されている。

【００１５】上記延伸部分１６では、各組の２本の導波
路１３が細められて接近し、それぞれのコア間で光結合
が生じるようになっている。したがって、この２本１組
の導波路１３により、１つの光ファイバカプラ（２×２
型カプラ）が構成され、この光ファイバカプラ１０にお
いては、４組の導波路により４つの２×２型カプラ１７
が形成されている。

【００１６】この光ファイバカプラ１０は、図３に示す
ように、両端面に光接続器（コネクタ）１８を取り付け
、光ファイバカプラの各導波路１３の端面と、光ファイ
バ１９の端面とを突き合わせて接続する。このように構
成することにより、各組の２本の導波路１３のそれぞれ
の両端に接続された計４本の光ファイバ１９は、図４に
示す２×２型カプラ１７において符号Ｐ１〜Ｐ４で示す
ポートとなる。そしてこれらのポートのうちの１つ（例
えばＰ１）に光を入射すれば、反対側の２つのポート（
Ｐ３，Ｐ４）から光パワーが得られる。

【００１７】この光ファイバカプラ１０は、１つの支持
ガラス体１４内に複数組の導波路１３を配置して、その
一部に延伸部１６を形成することにより、各組の導波路
１３に光結合を生じさせてカプラを形成し、複数のカプ
ラを集合した構成なので、複数のカプラを別個に配置す
る場合に比べ、全体の形状を小さくすることができる。 また、通常の融着延伸型光ファイバカプラよりも延伸部
分の径が太いので、外力に対して安定であり、更に、延
伸部分（カプラ部分）全体を低屈折率のガラス内に埋め
込んだ構造なので、カプラに外部から異物が接触しても
、光学特性が変化することなく、機械的、光学的に安定
である。

【００１８】次に、本発明に係わる光ファイバカプラの
製造方法を説明する。

【００１９】図５ないし図８は、本発明方法の一例を示
す図であって、この例による製造方法では、まず図５に
示すように、低屈折率ガラスからなり導波路挿入用の８
個の貫通孔２０を形成した円筒状のガラス母材２１と、
コア１１とクラッド１２を有する導波路母材２２とをそ
れぞれ作製し、ガラス母材２１のそれぞれの貫通孔２０
内に導波路母材２２を挿入する。

【００２０】次にガラス母材２１と導波路母材２２の集
合体を加熱路内に入れ、１８００℃程度に加熱し、貫通
孔２０と導波路母材２２との隙間を潰し（コラプス）、
図６に示すようにガラス母材２１と８本の導波路母材２
２とを一体化したマルチコアファイバ母材２３を作製す
る。

【００２１】次に、図７に示すようにマルチコアファイ
バ母材２３を線引炉に取り付け、母材先端を加熱装置２
４で局部加熱しつつファイバ状に引き出し、図６に示し
たマルチコアファイバ母材２３と同じ断面形状のマルチ
コアファイバ２５を作製する。作製されたマルチコアフ
ァイバ２５は、図示略の巻き取りボビンに巻き取られる
。

【００２２】次に、作製されたマルチコアファイバ２５
を適宜な長さに切断し、切断したファイバの中央を、図
８に示すように酸水素バーナ２６などの加熱手段により
加熱しつつ、長さ方向に引っ張って、加熱部分を延伸す
る。この操作によって、図１に示す光ファイバカプラ１
０が作製される。

【００２３】この加熱、延伸操作にあっては、マルチコ
アファイバ２５内の導波路１３の両端に光ファイバ１９
を接続し、一方側の１本の光ファイバに光を入射し、こ
れに接続する導波路と、これと対をなす導波路の双方の
反対側（出射側）に接続された２本の光ファイバ１９の
出射光強度をモニターしておき、２本の出射側光ファイ
バからの出射光強度から結合度を求め、適宜な結合度が
得られるように延伸量を調節することが望ましい。

【００２４】ここで、光ファイバカプラにおける結合度
とは、図４に示す構成の２×２型カプラ１７にあっては
、ポートＰ１に特定強度の光（その強度をＰ１とする）
を入射し、出射側のポートＰ３，Ｐ４からの出射光（そ
の強度をそれぞれＰ３，Ｐ４とする）を求め、次の数１
の式により得られる。

【００２５】

【数１】

【００２６】またこのカプラにおける過剰損失は、次の
数２により得られる。

【００２７】

【数２】

【００２８】上記製造方法によれば、複数のカプラを作
製する時に、個々のカプラへの加熱条件を容易に揃える
ことができるため、特性のそろった光ファイバカプラを
複数同時に再現性良く作製することができる。

【００２９】図９は、本発明方法の他の例を示す図であ
る。この例による製造方法では、４つの貫通孔２０を形
成したガラス母材２１と、クラッド１２内に２つのコア
１１を対向して設けたツインコアファイバ母材２７とを
用い、ガラス母材２１の各貫通孔２０内に、ツインコア
ファイバ母材２７を挿入する。このツインコアファイバ
母材２７は、酸化ゲルマニウム添加石英の２つのコア１
１とその周囲の石英からなるクラッド１２を備えてなる
ものである。

【００３０】次に、この集合体を加熱炉内に入れ、ガラ
ス母材２１と４本のツインコアファイバ母材２７とを一
体化してマルチコアファイバ母材とする。次に、このマ
ルチコアファイバ母材を線引し、マルチコアファイバを
作製する。次に、得られたマルチコアファイバを所望の
長さに切断し、その一部を加熱しつつ延伸して延伸部分
を形成する。

【００３１】この延伸によって４本のツインコアファイ
バは細められ、コア間が接近し、各ツインコアファイバ
は２×２型カプラとして機能する。

【００３２】この例により製造された光ファイバカプラ
は、図１に示す光ファイバカプラと同様に、カプラ両端
面のツインコアファイバ部分に、光ファイバ１９をそれ
ぞれのコアとコアとを接触させて接続し、図３に示すよ
うに４つの２×２型カプラを備えた光ファイバカプラの
集合体として使用することができる。

【００３３】この例による製造方法では、先の例と同様
に、特性のそろった光ファイバカプラを複数同時に再現
性良く作製することができるという効果が得られる他、
ガラス母材２１に形成する貫通孔の数を減らすことがで
きるので、製造を簡略化できる、またツインコアファイ
バにおける各コア間の隙間を小さく設定できるので、延
伸量が小さくなるなどの効果が得られる。

【００３４】なお、上記各例では、２本１組の導波路を
４組配置して光ファイバカプラを構成したが、導波路の
配置はこれに限定されることなく、３本以上の導波路を
１組とすることもでき、また導波路の組を４組以外の複
数組とすることもできる。

【００３５】〔実験例〕本発明方法に基づいて光ファイ
バカプラの製造を実施した。

【００３６】低屈折率のガラス母材として、直径４０ｍ
ｍ、長さ２２０ｍｍのフッ素添加石英ガラスの円柱を容
易した。次にこのガラス円柱に、図５に示すように８個
の貫通孔を形成した。これら貫通孔の径は１．８ｍｍ、
１組の孔の隙間を０．１５ｍｍ、孔中心からガラス母材
中心の間隔を１３．３５ｍｍとした。

【００３７】一方、酸化ゲルマニウム添加石英ガラスの
コア材と、その周囲の石英製クラッド材からなる外径１
．６７ｍｍの導波路母材を作製し、長さ２２０ｍｍに切
り揃え、上記ガラス母材のそれぞれの貫通孔内に挿入し
た。

【００３８】次に、このガラス母材と導波路母材の複合
体を加熱炉内に入れ、１８５０℃に加熱し、貫通孔と導
波路母材間の隙間を潰し、一体化した。

【００３９】次に、得られた一体化母材を線引用の加熱
炉に入れ、図６に示すマルチコアファイバを作製した。 マルチコアファイバの外径は３ｍｍ、１つの導波路のパ
ラメータは表１に示す通りであった。

【００４０】

【表１】

【００４１】次に、得られたマルチコアファイバを約６
０ｍｍの長さに切断し、その両端に専用コネクタを用い
てそれぞれ８本の光ファイバを接続した。そして一方の
端の任意の１組のファイバの内で、１本のファイバを選
び、そこに測定光を入射した。またこれに対応する出射
側の２本のファイバの出力光をモニターしながら、マル
チコアファイバの中央を酸水素バーナで加熱し、加熱部
分の延伸を行った。延伸量とモニターしたカプラの結合
度の関係を図１０に示した。

【００４２】図１０のピーク■を与える延伸量条件（延
伸長１６ｍｍ）で延伸を終了し、図１に示すものと同様
な構成の光ファイバカプラを得た。

【００４３】得られた光ファイバカプラの４組のカプラ
について、結合度の波長依存性を測定した結果を図１１
に示した。この光ファイバカプラの４つのカプラ（２×
２型カプラ）は、いわゆるＷＤＭ（波長多重型）カプラ
であり、得られたカプラでは、波長１．３μｍと１．５
５μｍの波長の光を分波したり、合波する機能を有して
いた。 図１１に示したように、４組のカプラの光結合特性はか
なり良く揃っており、また表２に示すように挿入損失、
波長、分離度は全て満足すべき結果であった。

【００４４】

【表２】

【００４５】次に、別の例として、結合度の波長依存性
を抑えたカプラの製造を実施した。この例では、表３に
示す構造パラメータを持つファイバ（ファイバ■とファ
イバ■）の２本が１組となって、４組が支持ガラス体に
埋め込まれた構造のマルチコアファイバを使用した。

【００４６】

【表３】

【００４７】このマルチコアファイバを用いて先の例と
同様に光ファイバカプラを作製した。得られた光ファイ
バカプラの４つのカプラの結合度と波長依存性の関係を
測定し、その結果を図１２に示した。

【００４８】図１２に示したように、得られた光ファイ
バカプラに含まれる４つのカプラ（２×２型カプラ）は
、いわゆるＷＩＣ型（波長非依存性）のカプラであり、
それらの特性はよく揃っており、特に波長１．５５μｍ
の近傍では、１端から入射した光はほぼ５０％：５０％
に分岐されていることがわかる。

【００４９】ところで、マルチコアファイバを作製する
場合の基本的な条件としては、マルチコアファイバのコ
アのピッチは、一般に使用されている光ファイバの外径
と等しいかそれ以上であることが望ましい。

【００５０】またマルチコアファイバの個々のファイバ
群、すなわち延伸することによりカプラを形成する１組
のファイバ群と隣接するファイバ群との距離Ｌと、個々
のファイバのクラッドの屈折率とマルチコアファイバ全
体を支える低屈折率領域の屈折率との差ΔＳ（％）は、
カプラを形成するために延伸した時でも、カプラ相互間
で実質的に電磁波的な結合を起こさないようなものでな
ければならない。実験的な検討では、マルチコアファイ
バ延伸後で次式数３の関係を満たせば良い。

【００５１】

【数３】

【００５２】この程度であれば、実質的に、隣接カプラ
間の電磁波的な結合、いわゆる漏話は問題とならないこ
とが分かった。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数のカプラを作製する時、個々のカプラへの加熱条件
を容易にそろえることができるため、特性の揃った光カ
プラを複数同時に再現性良く作製することができる。ま
た、１つの支持ガラス内に複数の延伸型カプラが作製で
きるので、個々のカプラを別個に接続する場合に比べ、
全体の大きさを小さくすることができる。また通常の融
着延伸型光ファイバカプラよりも融着延伸部の形状が太
くなるので、外力に対し機械的、光学的に安定である。 さらに各カプラの融着延伸部分を低屈折率の支持ガラス
体中に埋め込むことができるので、カプラに外部から異
物が接触しても光学的、伝送的な特性が変化せず、極め
て安定性に優れたカプラが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバカプラの一実施例を示す斜
視図である。

【図２】図１中の符号Ａ，Ｂ間の屈折率分布を示すグラ
フである。

【図３】図１の光ファイバカプラの接続状態を示す概略
平面図である。

【図４】図３における１つのカプラの作用を示す概略図
である。

【図５】本発明による光ファイバカプラの製造方法の一
例を説明するための図であって、ガラス母材に導波路母
材を挿入する工程の斜視図である。

【図６】ガラス母材と導波路母材との一体化工程を示す
斜視図である。

【図７】一体化母材の線引工程を示す概略側面図である
。

【図８】マルチコアファイバの延伸工程を示す斜視図で
ある。

【図９】本発明による光ファイバカプラの製造方法の他
の例を説明するための図であって、ガラス母材にツイン
コアファイバ母材を挿入する工程の斜視図である。

【図１０】本発明に係わる光ファイバカプラにおける結
合度と延伸長の関係を示すグラフである。

【図１１】本発明に係わる光ファイバカプラにおける結
合度の波長依存性の１例を示すグラフである。

【図１２】本発明に係わる光ファイバカプラにおける結
合度の波長依存性の別の例を示すグラフである。

【図１３】従来の光カプラの製造方法の一例を説明する
ための側面図である。

【図１４】従来の光カプラの製造方法の他の例を説明す
るための斜視図である。

【符号の説明】

１０　　　　光ファイバカプラ １１　　　　コア １２　　　　クラッド １３　　　　導波路 １４　　　　支持ガラス体 １５　　　　マルチコアファイバ １６　　　　延伸部分 １７　　　　カプラ ２０　　　　貫通孔 ２１　　　　ガラス母材 ２２　　　　導波路母材 ２３　　　　マルチコアファイバ母材 ２５　　　　マルチコアファイバ ２７　　　　ツインコアファイバ母材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　コアとクラッドを有する複数組の導波
   路を、該クラッドの屈折率よりも低い屈折率のガラス中
   に配設したマルチコアファイバの一部に延伸部を形成し
   てなり、上記各組の導波路間で光結合を行うことを特徴
   とする光ファイバカプラ。
2. 【請求項２】　　コアとクラッドを有する複数組の導波
   路を、該クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有するガ
   ラス母材に配置し、次いで該ガラス母材を加熱して導波
   路とガラス母材を一体化し、さらに線引してマルチコア
   ファイバを形成し、次いで該マルチコアファイバの一部
   を加熱延伸することを特徴とする光ファイバカプラの製
   造方法。
3. 【請求項３】　　導波路の構造が、全て同一であること
   を特徴とする請求項２記載の光ファイバカプラの製造方
   法。
4. 【請求項４】　　２本１組の導波路の構造が互いに異な
   っていることを特徴とする請求項２記載の光ファイバカ
   プラの製造方法。